Updates zur Abschaltung von 2G-, 3G- und 4G-LTE-Netzen

Mit dem Niedergang einiger Mobilfunknetze und dem Wachstum von 5G-Netzwerken verändert sich die gesamte Landschaft der Mobilfunkvernetzung. Für Unternehmen, die Geräte eingesetzt haben, die auf älteren Netzen basieren, stellt sich heute die Frage nach der Lebenserwartung dieser Netze, wie lange 4G-LTE-Netze lebensfähig sein werden und ob 5G früh genug für ihre Bedürfnisse ausgereift sein wird. Dieser Artikel wird diese Fragen weiter untersuchen und beantworten.

Warum ältere Netzwerke abgeschaltet werden

Die Netzbetreiber müssen in der Lage sein, Frequenzen wiederzuverwenden, um neue Netze aufzubauen und ihren Kunden schnellere und reaktionsfähigere Technologie zur Verfügung zu stellen. Die alte 2G/3G-Infrastruktur muss neuen Netzen Platz machen, und das bedeutet, dass ältere Mobilfunkgeräte nicht mehr lebensfähig sind und ausgemustert werden müssen.

In diesem Zusammenhang gibt es zwei Metriken, die am wichtigsten sind:

1. Spektrale Effizienz, gemessen in Bits pro Sekunde/Hertz (Hz). Dies ist ein Indikator dafür, wie effizient die Daten pro verfügbarer Bandbreite übertragen werden. Modulation, Kodierungsschemata und Fehlerkorrektur spielen dabei eine Schlüsselrolle. Modulationsschemata höherer Ordnung wie 64-QAM und 256-QAM, die üblicherweise bei 4G LTE verwendet werden, ermöglichen die Übertragung von Daten mit bis zu 8-mal mehr Bits/Hz im Vergleich zu 2G oder 3G.
2. Latenz. Dies ist die Verzögerung von der Anfrage bis zur Antwort und ist ein Indikator dafür, wie reaktionsfähig ein Mobilfunknetz ist. Durch Mobilfunknetz- und Technologie-Upgrades ist die Latenzzeit von Sekunden in den ersten 2G-Tagen und dreistelligen Millisekunden in 3G auf zweistellige Millisekunden in 4G-LTE-Netzen und eine erwartete einstellige Latenzzeit in zukünftigen 5G-Standalone-Netzen (SA) zurückgegangen.

Die gute Nachricht ist, dass 4G-LTE noch mindestens ein Jahrzehnt lang verfügbar sein wird und mit 5G-Netzen koexistieren wird. Dieser Artikel enthält aktuelle Informationen über die Ausmusterung von 2G- und 3G-Netzen und die Aussichten für 4G-LTE- und 5G-Netze, um diejenigen zu unterstützen, die ihren Migrationspfad planen.

Die Aussichten für den 2G-Niedergang

Abbildung 1: Alle großen nordamerikanischen Fluggesellschaften werden 2G bis Ende 2021 ausmustern. (Bildquelle: Digi)

In den USA sind große Netzbetreiber bereits dabei, den 2G-Dienst einzustellen:

• AT&T stellte 2016 die Unterstützung von 2G-Netzen ein
• T-Mobile wird 2G im Dezember 2020 ausmustern
• Auch Verizon Wireless wird sein 2G-CDMA-Netz Ende 2020 auslaufen lassen
• Sprint wird sein 2G-CDMA-Netz im Dezember 2021 abschalten

Bevor diese 2G-Netze jedoch vollständig außer Betrieb genommen werden, werden 2G-Geräte schon nicht mehr optimal funktionieren. Folgendes kann erwartet werden:

1. 2G-Mobilfunkgeräte können weiterhin eine Verbindung zum Netzwerk herstellen, aber es wird nicht möglich sein, neue Geräte zu aktivieren.
2. Diese Geräte werden wahrscheinlich nicht mehr so gut funktionieren wie in der Vergangenheit, da die Netzbetreiber dieses Spektrum neu aufteilen werden, um Platz für neue Netze zu schaffen, die online gehen.

Anderswo in der Welt:

• Bell Canada stellte schon 2018 den Betrieb seiner 2G-Netze ein
• Zu den anderen Netzbetreibern in Kanada gehören Telus und Rogers, die beide ihre Unterstützung für 2G eingestellt haben
• In Europa wird 2G noch eine längere Lebensader haben. Vodafone beabsichtigt, den 2G-Dienst mindestens bis 2025 zu unterstützen. Beachten Sie jedoch, dass wahrscheinlich schon vor diesem Zeitpunkt mit der Neuaufteilung des Spektrums begonnen wird.

Die Aussichten für den 3G-Niedergang

Abbildung 2: Alle großen nordamerikanischen Netzbetreiber planen 3G bis Ende 2022 auszumustern. (Bildquelle: Digi)

Wie die 2G-Netze nutzen auch die 3G-Netze Frequenzen, die letztlich für die Unterstützung von 4G-LTE benötigt werden, was bedeutet, dass die Netzbetreiber einen Ausstieg planen. Darüber hinaus sind 3G-Geräte auf Geschwindigkeiten von maximal etwa 3 Mbit/s begrenzt. Im Gegensatz dazu ist 4G LTE schneller und nutzt das Spektrum effizienter, was bedeutet, dass mehr Geräte das verfügbare Spektrum gemeinsam nutzen können.

Die derzeitigen Pläne der großen Netzbetreiber sind wie folgt:

• Verizon wird sein CDMA-Netz Ende 2020 abschalten
• AT&T plant, sein 3G-Netz im Februar 2022 abzuschalten, und 3G-Telefone können dann nicht mehr aktiviert werden.
• Es wird erwartet, dass T-Mobile seine 3G-Netze bis Ende 2021 ausmustert.
• Sprint schaltet seine 3G-Netze im Dezember 2022 ab, und 3G-Geräte können dann nicht mehr aktiviert werden.

Dies ist ein sehr guter Zeitpunkt, um den Einsatz von 4G-LTE-Geräten zu evaluieren, die als nächstes diskutiert werden.

Die Aussichten für die 4G-LTE-Netzwerke

Abbildung 3: Während 2G und 3G bald ausgemustert werden, gibt es für 4G in der nahen Zukunft diesbezüglich keine Pläne (Bildquelle: Digi)

Obwohl 4G LTE irgendwann veraltet sein wird, sollte niemand bis zur Abschaltung, die ein Jahrzehnt oder länger in der Zukunft liegt, den Atem anhalten. Unternehmen, die heute für IoT planen, können die langfristige Lebensfähigkeit von LTE-Netzen sicher planen.

Tatsächlich wird es nicht nur mindestens ein Jahrzehnt oder länger dauern, bis 5G das 4G-Netz vollständig überholt hat, sondern 4G LTE bietet die gesamte Bandbreite, die die meisten Anwendungen heute benötigen, und ist eine weitaus kostengünstigere Wahl. 4G LTE (Long Term Evolution) wird mit zunehmendem Wachstum der 5G-Netze sehr effektiv das Frequenzspektrum mit diesen Netzen teilen, wobei im Laufe der Zeit viele Geräte sowohl mit 4G- als auch mit 5G-Funktionalität entwickelt werden.

Heute wird 5G vor allem von frühzeitigen Anwendern genutzt, die bereit sind, eine hohe Prämie zu zahlen - entweder für die Neuheit oder für die Durchführung früher, begrenzter Studien. Wie bei jeder neuen Technologie müssen wichtige inkrementelle Entwicklungen stattfinden, um eine breite Einführung zu ermöglichen.

Schlüsselüberlegungen zur 5G-Adoption

Hier sind einige wichtige Überlegungen, die bei der Migrationsplanung der derzeitigen Systeme helfen sollen:

• 5G-Netze sind auf dem neuesten Stand der Technik, aber die Abdeckung ist heute begrenzt, und die Netzinfrastruktur muss weiterentwickelt werden, um die 5G-Vision eines „allgegenwärtigen Netzes für alle Anwendungsfälle“ zu verwirklichen.
• Technologien wie 5G mmWave sind nicht ideal in Gebieten mit Hindernissen, wie z.B. Gebäuden oder dichtem Laub, oder an Orten mit viel Niederschlag oder Schnee. Selbst doppelverglaste Fenster können ein 5G-mmWave-Signal blockieren.
• Aufgrund des Entwicklungs- und Testbedarfs zur Sicherstellung der Signaltauglichkeit sowie der Knotendichte wird die vollständige 5G-Einführung in den nächsten 3 bis 5 Jahren und länger, je nach geographischem Gebiet, erfolgen.

Abbildung 4: 5G ermöglicht schnellere Datenraten, größere Gerätedichte und geringere Latenzzeiten. (Bildquelle: Digi)

• Wie bei 4G LTE geht es auch bei 5G darum, einen langfristigen Entwicklungsansatz zu verfolgen und auf diesem Weg inkrementell mehr Wert zu schaffen. Dies lässt sich am besten an den Spezifikationen hinter der Technologie ablesen, die durch das „3^rd Generation Partnership Project“ (3GPP) zu Releases gebündelt werden:
  • 3GPP Release 15 war die erste 5G-Version im Dezember 2018, die sich auf die Grundlagen und das „Enhanced Mobile Broadband“ (d.h. Highspeed-Anwendungen) konzentriert.
  • Release 16 (manchmal auch als 5G Phase 2 bezeichnet) wurde im Juli 2020 veröffentlicht. Sie konzentrierte sich auf missionskritische Elemente, entwickelte aber auch „Enhanced Mobile Broadband“ weiter.
  • Release 17 ist für Ende 2021/Anfang 2022 geplant und wird sich auf das massive Internet der Dinge konzentrieren und die beiden anderen Bereiche ebenfalls weiterentwickeln, durch niedrigere Latenzzeiten und sogar 5G über Satelliten.
    

Wie 4G LTE und 5G koexistieren werden

Während die Netzbetreiber 2G- und 3G-Netze abschalten mussten, um 4G LTE unterzubringen, ist dies bei 4G und 5G nicht der Fall. 5G verwendet ein neues Spektrum, wie z.B. mmWave, und kann in Verbindung mit dem bestehenden 4G-Spektrum arbeiten. Dies ist auf die dynamische Spektralaufteilung (Dynamic Spectrum Sharing, DSS) zurückzuführen.

Was ist dynamische Spektralaufteilung (DSS)?

DSS ist eine Technologie, die den Einsatz sowohl von 4G LTE als auch von 5G im selben Frequenzband ermöglicht. Es teilt die Frequenzressourcen zwischen den beiden Technologien dynamisch auf der Grundlage der Nutzernachfrage zu.

Ohne DSS müsste ein Betreiber, der 20 MHz des 4G-LTE-Spektrums zur Verfügung hat, dieses Spektrum aufteilen, d.h. er müsste 10 MHz des Spektrums für 4G-LTE zuweisen und alle seine LTE-Nutzer in diesen 10 MHz des Spektrums unterbringen. Dann könnte das verbleibende 10-MHz-Spektrum für 5G genutzt werden, auch wenn es zunächst nur eine minimale Anzahl von 5G-Nutzern geben wird.

Mit DSS muss ein Betreiber sein Spektrum nicht aufteilen oder über separate Spektren für 4G LTE und 5G verfügen. Stattdessen können beide Technologien die 20 MHz des Frequenzspektrums gemeinsam verwenden. Anfänglich wird das Spektrum hauptsächlich für 4G-LTE genutzt werden, aber mit der wachsenden Anzahl von 5G-Geräten wird immer mehr Spektrum für 5G genutzt werden. Irgendwann in schätzungsweise 15 bis 20 Jahren, wenn nur noch wenige 4G-LTE-Geräte in Gebrauch sind, wird das meiste, wenn nicht sogar das gesamte Spektrum für 5G genutzt werden.

Durch die dynamische gemeinsame Nutzung des Spektrums können die Netzbetreiber dasselbe Frequenzband sowohl für 4G als auch für 5G nutzen. Um eine Verkehrsanalogie zu verwenden: Anstatt verschiedene Straßen für Busse und Autos zu bauen, ist DSS wie eine große Autobahn mit getrennten Fahrspuren für die verschiedenen Fahrzeugtypen.

Vom abhängigen 5G zum unabhängigen 5G

Viele 5G-Geräte, wie z.B. Mobilfunk-Router, werden sowohl mit 4G- als auch mit 5G-Funkkomponenten gebaut werden, so dass sie in der Lage sind, sich mit beiden Netzwerken zu verbinden. In den frühen Tagen von 5G werden sie sich zunächst mit einem 4G-LTE-Netz verbinden und sich dann an ein 5G-Netz anschließen, wenn dieses verfügbar ist. Dies wird auch als 5G „Non-Standalone“ (NSA) bezeichnet.

Am Anfang werden die meisten Daten über 4G LTE übertragen werden. Im Laufe der Zeit, wenn die 5G-Abdeckung zunimmt und die Mobilfunkinfrastruktur auf 5G „Stand-Alone“ (SA) umgestellt wird, werden jedoch immer mehr Daten über 5G übertragen, und Mobilfunkgeräte können ohne den Umweg über 4G LTE direkt mit dem 5G-Netz verbunden werden. Daher, um mit der Verkehrsanalogie fortzufahren, wird 5G schließlich 4G als die größere Spur auf der Autobahn ersetzen.

Wie passen LTE-M und NB-IoT in 5G?

Angenommen, der Einsatz einer größeren Installation von LTE-M- oder NB-IoT-Geräten wird in naher Zukunft gewünscht. Werden diese Geräte bald veraltet sein, wenn 5G verfügbar wird? Sollte es während des Wartens auf 5G eine Verzögerung bei der Bereitstellung geben?

Die Antwort ist, dass mit LTE-M und NB-IoT eine hervorragende Technologieauswahl getroffen wurde, denn obwohl es sich um 4G-LTE-Technologien handelt, wurden sie als Teil des langfristigen Evolutionsparadigmas von LTE mit Blick auf 5G entwickelt.

Bei der ursprünglichen Konzeption von LTE-M und NB-IoT wurde besonderes Augenmerk auf die Konzeption von 5G gelegt, um sicherzustellen, dass LTE-M und NB-IoT im Band eines 5G-Systems betrieben werden oder neben einem 5G-System koexistieren können. Dies bietet einen vorwärtskompatiblen Pfad bis weit in die 5G-Zukunft hinein, und sogar weit über den Zeitpunkt hinaus, an dem 4G-LTE möglicherweise nicht mehr verfügbar ist.

Wie bereits erwähnt, wird Release 17, das für Ende 2021/Anfang 2022 geplant ist, das erste Release sein, das sich auf das massive Internet der Dinge konzentriert, was bedeutet, dass Chipsätze und Geräte folgen werden, wobei das früheste 2022/2023 verfügbar sein wird.

Vier Möglichkeiten, sich heute auf 5G vorzubereiten

Was kann heute getan werden, um sich auf 5G vorzubereiten? Sollte ein Upgrade jetzt in Erwägung gezogen werden oder ist es besser zu warten? Wird 5G heute wirklich gebraucht? Digi hört derzeit diese und viele andere Fragen von Kunden. Als Antwort auf diese Fragen wurde der folgende umsetzbare Prozess zusammengestellt:

1. Identifizierung von 5G-Anwendungen

Identifizieren Sie Anwendungen, bei denen eine viel höhere Geschwindigkeit und eine geringere Latenz den Betrieb optimieren würden. Ein Paradebeispiel sind Anwendungen, die Edge-Compute für maschinelles Lernen und vorbeugende Wartung nutzen.

Werden sich die Anwendungsanforderungen in den nächsten 5 Jahren in Bezug auf Datenvolumen, Latenzzeit und Energiebedarf ändern? Beispielsweise ermöglichen LTE-M und NB-IoT neue batteriebetriebene Geräte und neue Geschäftsmodelle, die bisher mit 2G/3G nicht möglich waren.

Weitere Fragen, die es zu stellen gilt: Welche Art von 5G wird benötigt? Wird 5G Sub-6 mit seiner landesweiten Abdeckung benötigt, aber mit ähnlicher Leistung wie das heutige 4G LTE, oder wird die hohe Geschwindigkeit von 5G mmWave benötigt, das vor allem in dicht besiedelten, städtischen Umgebungen verfügbar ist? Dies ist ein wichtiger Faktor, denn wie bereits erwähnt, werden nicht alle Frequenzen überall verfügbar sein, und die Verfügbarkeit von Frequenzen wird sich mit der Zeit weiterentwickeln. Ist es ein Wunsch, vorhandene Geräte 5G-tauglich zu machen oder zu ersetzen?

2. Bestandsaufnahme des Geräteinventars

Das Verständnis des geeigneten 4G-zu-5G-Evolutionspfades wird bei der Planung für die Zukunft hilfreich sein. Möglicherweise sind noch 2G- oder 3G-Geräte im Einsatz oder die Anwendung verwendet 4G-Geräte der ersten Generation, die von einem Upgrade auf neuere 4G-LTE-Geräte mit schnelleren Prozessoren und 4G-Gigabit-LTE-Mobilfunkgeschwindigkeiten profitieren könnten. Wenn dies der Fall ist, suchen Sie nach modularen Geräten oder nach Geräten, die „5G-fähig“ sind, was in der Regel bedeutet, dass sie über die nötige Leistung und Schnittstellen verfügen, um 5G über ein Upgrade zu unterstützen.

3. Quantifizieren Sie die Kosten oder das Risiko der Aufrechterhaltung der aktuell eingesetzten Geräte

Wenn 2G- oder 3G-Geräte noch in Betrieb sind, besteht das Risiko eines Verbindungsverlusts und einer Dienstunterbrechung aufgrund von Netzabschaltungen. Wenn 4G-LTE-Geräte verwendet werden, werden diese im Allgemeinen als gut eingestuft, aber schauen Sie sich das Alter des Geräts an und bestimmen Sie, ob ein 1:1-Austausch oder ein Upgrade auf ein neueres Gerät wünschenswert wäre. Zu berücksichtigende Schlüsselfaktoren sind die Gerätesicherheit und Firmware-Updates. Wie immer kann Digi bei diesen Entscheidungen eine Orientierungshilfe sein.

4. Bestimmen Sie den geschäftlichen Nutzen der Migration

Führen Sie eine Kosten-Nutzen-Analyse durch, aus der hervorgeht, wann und ob die Umstellung auf 5G ein lohnender Schritt ist. Betrachten Sie sinnvolle technologische Zwischenschritte als Teil einer größeren Migration. Ziehen Sie beispielsweise ein modulares, höherwertiges 4G-LTE/5G-fähiges Gerät in Betracht, das auch einen Upgrade-Pfad bietet, wenn 5G verfügbar wird und der entsprechende geschäftliche Nutzen eine Migration zu 5G unterstützen kann.

Arbeiten Sie mit den Partnern der Geräte- und Mobilfunknetzbetreiber zusammen, um die Zeitpläne für die Geräte- und Netzwerkverfügbarkeit abzustimmen. Berücksichtigen Sie die Installationskosten, z. B. für 5G-mmWave-Ausrüstung für den Außenbereich.

Planung für den Wandel

Heute, insbesondere in den entwickelten Ländern, haben diejenigen, die sich auf Geräteimplementierungen vorbereiten, mit 4G-LTE eine hervorragende Technologie, die für die meisten Anwendungen eine hohe Geschwindigkeit und eine relativ niedrige Latenz aufweist.

In weniger entwickelten Ländern wird 4G LTE wahrscheinlich noch mehrere Jahrzehnte lang der Standard bleiben.

Gleichzeitig wird die 5G-Netzabdeckung wachsen, und die Technologie wird letztlich die ultraschnelle Geschwindigkeit und geringe Latenzzeit liefern, die für fortschrittliche Technologien wie autonome Fahrzeuge als Wegbereiter erwartet werden.

Die Tage der Realisierbarkeit von 2G/3G-Geräteimplementierungen sind begrenzt, und es ist an der Zeit, 4G-Implementierungen mit Zuversicht zu beginnen oder fortzusetzen. 5G im kommerziellen oder industriellen Bereich vorzeitig einzusetzen, ist eine Pionierleistung. Setzen Sie sich mit Digi in Verbindung, um zukünftige Pläne zu besprechen und um zu erfahren, wie Sie Unterstützung für die Einhaltung der Anforderungen Ihrer Anwendung erhalten können.